基于壓磁效應的銹蝕鋼筋應力狀態檢測試驗研究

金偉良，項凱瀟，毛江鴻，徐方圓，張 軍, 2

(1. 浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學 結構工程研究所，浙江 杭州 310058)

基于壓磁效應的銹蝕鋼筋應力狀態檢測試驗研究

金偉良1，項凱瀟1，毛江鴻1，徐方圓1，張 軍1, 2

(1. 浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學 結構工程研究所，浙江 杭州 310058)

鋼筋銹蝕是嚴重威脅結構安全的耐久性問題，基于壓磁效應，研究均勻銹蝕和坑蝕兩種銹蝕鋼筋的應力狀態與壓磁場變化的關系。首先，采用通電加速銹蝕方法進行鋼筋均勻銹蝕和點蝕試驗；然后，通過軸向拉伸靜載試驗和疲勞加載試驗，分析銹蝕鋼筋的壓磁信號特征。試驗結果顯示，磁感強度與鋼筋應力狀態之間具有較好的對應關系，屈服階段不同銹蝕率下的鋼筋磁感強度曲線有較明顯區別，疲勞荷載作用下銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強度和磁滯回環面積均呈現疲勞三階段變化規律，可進一步運用于鋼筋應力狀態的檢測中。

均勻銹蝕；坑蝕壓磁效應；磁感強度；磁滯回環；鋼筋銹蝕；應力狀態

鋼筋銹蝕是沿海工程鋼筋混凝土結構性能劣化的最主要原因，因而銹蝕鋼筋的力學性能一直是國內外學者關心的重要問題[1]。Uomoto等[2]對受環境影響的鋼筋混凝土結構中的銹蝕鋼筋進行試驗測試，發現鋼筋銹蝕后，屈服強度和極限強度發生5%～10%的下降。Abdullah[3]利用通電加速銹蝕混凝土中鋼筋的方法，對銹蝕率從0%～80%的鋼筋進行了抗拉測試，實驗結果顯示當銹蝕率到達一定程度時，名義應力強度和延性都將降低。Castel等[4-5]對已服役14年的鋼筋混凝土梁進行試驗測試，發現銹蝕會導致鋼筋截面積減小，鋼筋混凝土梁剛度降低、承載力下降。袁迎曙等[6]通過現場采樣、實驗室加速銹蝕及模擬制作三個途徑獲取銹蝕鋼筋，試驗結果表明銹后鋼筋的屈服強度、極限強度、延伸率均顯著下降。張克波等[7]對361根銹蝕鋼筋進行試驗后發現銹后的帶肋鋼筋比光圓鋼筋性能下降更快，加速銹蝕試件比自然銹蝕試件性能下降更快。陳才生[8]對重載及腐蝕梁進行疲勞試驗，結果表明梁中銹蝕鋼筋對疲勞損傷十分敏感，構件整體性能加速劣化。實際混凝土結構中鋼筋的銹蝕以坑蝕為主[9]，導致鋼筋截面損失與力學性能退化[10-11]。易偉建等[12]通過銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞試驗發現，疲勞破壞發生在應力幅最大且表面有蝕坑的鋼筋截面。雖然目前可以通過分布式光纖技術(需要預埋光纖)等方式對鋼筋銹脹過程的混凝土應力進行監測[13-15]，但是鋼筋的受力狀態以及銹蝕程度往往難以準確評估。

壓磁效應最早由Villari[16]發現，反映了鐵磁性材料在恒定弱磁場下的力與磁相互關系。英國學者Wilson等[17]通過檢測拉伸試件的殘余磁場來評估其應力狀態，結果顯示磁場與應力之間有良好的相關性。Carik等[18]對鐵、鎳等多種鐵磁性材料施加拉壓應力后發現，磁場曲線滯回特性明顯，且拉應力引起的磁場變化要大于同等級壓應力引起的磁場變化。金偉良等[19-20]首次提出可以將壓磁效應應用于鋼筋混凝土結構的疲勞研究，并通過試驗研究證明了這種方法的可行性。

對銹蝕鋼筋受拉過程中的壓磁場進行監測，研究均勻銹蝕和點蝕兩種情況下銹蝕鋼筋應力狀態與壓磁場變化之間的關系，結果表明，壓磁場對鋼筋受力狀態的改變是十分敏感的。

1 試驗設計與過程

1.1鋼筋通電加速銹蝕試驗

目前，銹蝕鋼筋的獲取方法主要有老化構件替換法、長期暴露試驗法與通電加速銹蝕法。獲取老化構件數量往往有限，長期暴露試驗法周期又太長，所以這里采用溶液模擬加速通電銹蝕的方法獲取銹蝕鋼筋，既可較好地控制預期銹蝕率，又與實際銹蝕狀況相近。均勻銹蝕和點蝕鋼筋的電通電加速試驗如圖1所示。

圖1 鋼筋均勻銹蝕模擬試驗和點蝕模擬試驗Fig. 1 Steel bar uniform corrosion method and pitting corrosion method

為了防止鋼筋兩端出現銹蝕影響試驗加載，鋼筋兩端套入PVC管中并采用玻璃膠密封以隔絕氧氣和有害離子的進入。均勻銹蝕試驗時，無PVC管保護度段取為300 mm，該區域鋼筋與吸水海綿直接接觸，吸水海綿會將容器中5.0%氯化鈉溶液帶到鋼筋表面。點蝕試驗時，無PVC管保護度長度為30 mm，該區域全部用玻璃膠密封，待膠體凝固后在中間挖取不同尺寸的孔，模擬不同大小的蝕坑。容器內放置的不銹鋼板作為陰極，鋼筋試件作為陽極，進行通電加速銹蝕，根據法拉第定律計算通電時間：

式中：ΔωS為鋼筋銹蝕引起的質量損失，g；MFe為鐵的摩爾質量，取56 g/mol；t為通電時間，s；ZFe為鐵的化合價，取2；F為法拉第常量，取9.65×104A·s；I為腐蝕電流，mA；A為蝕坑處鋼筋表面積，cm2。

1.2加載與測試系統

試驗在全數字控制250 kN電液伺服疲勞試驗機上進行，通過引伸計記錄鋼筋在荷載作用下的變形。靜力試驗加載采用位移控制，加載速率為2 mm/min，試件拉斷后試驗終止；疲勞試驗加載采用應力控制方式，加載頻率為2.0 Hz，鋼筋斷裂后試驗終止。

壓磁場與鋼筋受力狀態的對應關系，實質上是力與磁能之間的轉化[21-22]。當應力能發生改變時，磁彈性能便會因為材料內部磁疇結構的轉向與運動發生相應的改變。通過兩臺美國Applied Physics System公司的APS428D磁通門磁力儀采集系統及配備的APS460磁探頭測量鋼筋周圍的法向磁場信號，接入IMC動態數據采集儀中供后續分析，采集頻率為1 000 Hz。試件周圍設置屏蔽環以降低環境磁噪聲，量測裝置安裝如圖2所示。

圖2 加載及量測系統Fig. 2 Loading and measuring system

2 壓磁效應檢測的干擾影響分析

2.1地磁場中環境磁噪聲影響

試驗過程中壓磁信號不可避免會受到外界環境磁噪聲的干擾。圖3為地磁場下加載未開始前法向磁場受環境磁噪聲影響所產生的波動，從圖中可看出法向磁感強度波動約為0.3 mG，該變化值遠小于試驗中磁感強度變化的量級。

2.2探頭提離值影響

圖4給出了不同提離值(磁探頭與試件表面距離)下法向磁場沿鋼筋長度方向的變化規律。提離值的增大并未改變磁場分布規律，但法向磁場的變化幅度均隨提離值增大而減小，意味著壓磁場信號對提離值較敏感，距離的增大使信號強度減弱，因此，試驗時應避免提離值過大。考慮實際工程中混凝土保護層的厚度，本文試驗的提離值取為33 mm。

圖3 地磁場中環境磁噪聲對法向磁場影響Fig. 3 Effect of environmental magnetic noise

圖4 不同提離值下法向磁場分布規律Fig. 4 Distribution of normal magnetic field under different liftoffs

2.3試驗機作動頭影響

試驗機的加載作動頭是鐵磁性材料，相對位置的改變會引起磁信號的改變。本試驗過程中，測量了固定提離值下作動頭位移所產生的磁感強度變化，對試件拉伸過程中量測的磁信號進行修正。

3 試驗結果與分析

首先對光圓鋼筋進行軸向靜載拉伸試驗，分析均勻銹蝕鋼筋和點蝕鋼筋的壓磁場分布特征；然后進行不同直徑銹蝕鋼筋的疲勞拉伸試驗，分析銹蝕鋼筋在不同疲勞階段的壓磁信號演變規律。

3.1靜力作用下鋼筋應力狀態的壓磁特征

在對φ10光圓鋼筋進行加速銹蝕試驗后，進行了銹蝕與未銹蝕鋼筋的軸向靜載拉伸試驗。表1為靜載試驗中各鋼筋的銹蝕程度及屈服荷載、極限荷載、伸長率等靜力性能測試結果。

表1 靜載試驗的鋼筋試驗參數和力學性能指標Tab. 1 Static loading test parameters and mechanical properties of steel bars

3.1.1 未銹蝕鋼筋的壓磁信號

圖5為未銹蝕光圓鋼筋的荷載—變形曲線和法向磁感強度—變形曲線。其中，荷載—變形曲線均表現了鋼筋彈性—屈服—強化—斷裂四個階段，而鋼筋的磁感強度—變形曲線發展趨勢卻并不相同。

圖5 未銹蝕鋼筋荷載—變形曲線和磁感強度—變形曲線Fig. 5 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of non-corrosion steel bar

圖5中，S0-1和S0-2鋼筋在彈性階段最大法向磁感應強度分別為559.3 mG和381.5 mG，在屈服階段前半段，磁能在鋼筋中累計，磁感強度增加，當變形到達6.6 mm左右時，法向磁感強度到達峰值，隨后逐漸下降。S0-3磁感強度在強化階段仍有較小幅度的增長。可以看到，磁感強度在彈性階段由于磁彈性能的累積而不斷增加；進入屈服階段，出現晶體滑移，累積的部分能量得到釋放，當到達某個閾值后，盡管此時變形還在增大，但磁感應強度已不再增加。進入強化階段后，位錯滑移持續累積，當磁能釋放速率大于新增磁能時表現為磁感強度的下降，若滑移不充分，磁能釋放速率小于新增磁能時，則磁感繼續增加。

3.1.2 均勻銹蝕鋼筋應力狀態的壓磁檢測

在檢測均勻銹蝕鋼筋的磁信號時，將磁探頭布置在銹蝕段三分之一處。圖6為靜載拉伸試驗中均勻銹蝕鋼筋的荷載—變形曲線及法向磁感強度—變形曲線。

圖6 不同銹蝕率的光圓鋼筋荷載—變形曲線和磁感強度—變形曲線Fig. 6 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of plain bar with different uniform corrosion ratios

由圖6可知，均勻銹蝕對光圓鋼筋力學性能存在較大影響，屈服荷載、極限荷載均隨銹蝕率增大而降低，銹蝕率達13.1%時的變形能力僅為未銹蝕試件的14.4%。從荷載—變形曲線(圖6(a))可以看出，銹蝕率較大時(SU-2和SU-3)，該鋼筋的屈服平臺已經消失，彈性階段結束后直接進入強化階段。磁感強度—變形曲線(圖6(b))也顯示了同樣的特征，SU-1與SU-3在屈服階段的磁感強度均為先增加后減小，而銹蝕率較大的SU-2、SU-3沒有觀察到該現象。產生該現象的原因是鋼筋銹蝕率越低，屈服階段的磁疇結構的有序化定向排列越充分，相應的磁感強度表現為先增加后降低。當銹蝕率增大到一定程度后，鋼筋的屈服平臺漸不明顯，相應的磁疇結構無定向排列，因此，磁感強度曲線中亦沒有觀測到屈服過程。

3.1.3 點蝕鋼筋應力狀態的壓磁檢測

在對點蝕鋼筋進行磁信號檢測時，為使漏磁現象更明顯，將磁探頭面向坑蝕面。圖7為點銹蝕鋼筋的荷載—變形曲線及法向磁感強度—變形曲線。

由圖7(a)可知，不同點蝕形狀鋼筋的屈服荷載并沒有發生降低，且屈服平臺長度也未出現縮短，但極限荷載隨著蝕坑深度的增大而降低，這與文獻[16]揭示的“蝕坑深度相比于蝕坑長度和蝕坑寬度，對鋼筋力學性能影響更大”相一致。圖7(b)中屈服階段磁感強度變化過程表現出更多的信息，蝕坑深度較小SP-1、SP-2、SP-3與S0-1相似，磁感強度先增大后減小；蝕坑深度較大的SP-4、SP-5、SP-6則沒有表現出上述現象。說明相比荷載—變形曲線，磁感—變形曲線更能反映鋼筋中存在的蝕坑及蝕坑大小。

3.1.4 屈服階段各鋼筋壓磁信號的對比分析

將未銹蝕鋼筋、均勻銹蝕鋼筋、點蝕鋼筋的屈服階段法向磁感強度—變形共同繪制于圖8。從圖8中可以明顯看出，低銹蝕率和高銹蝕率下鋼筋在屈服階段的磁感強度—變形曲線存在明顯區別。無論是均勻銹蝕還是點蝕，在低銹蝕率情況下磁感強度均表現為先增加后減小的過程，而高銹蝕率情況下磁感強度則單調變化進入強化階段。

3.2疲勞荷載作用下鋼筋應力狀態的壓磁特征

選取直徑為10 mm的HPB300光圓熱軋鋼筋與直徑為14 mm以及16 mm的HRB400帶肋熱軋鋼筋進行疲勞試驗，重點關注銹蝕鋼筋在不同疲勞階段的壓磁信號特征。表2為銹蝕鋼筋疲勞試驗的試驗參數及疲勞壽命。

表2 銹蝕鋼筋的疲勞試驗參數和疲勞壽命Tab. 2 Fatigue test parameters and fatigue life of corroded steel bars

3.2.1 銹蝕鋼筋的殘余磁感強度演變

由于鋼筋在制作及運輸過程中可能已經受過荷載作用，與完全退磁的標準試件有所區別，因此在鋼筋疲勞試驗過程中，各鋼筋的磁感強度并不同，同時試驗得到的各鋼筋疲勞壽命也不盡相同。為了對鋼筋在疲勞荷載作用下的殘余磁感強度發展規律進行分析，對每根鋼筋的殘余磁感強度與疲勞壽命進行均一化處理，如圖9所示。

圖9中，橫坐標代表相對疲勞壽命(即，實際疲勞循環次數/疲勞壽命)，縱坐標代表相對殘余磁感強度(即，殘余磁感強度增量/殘余磁感強度總增量)。將各鋼筋的相對法向殘余磁感強度發展規律進行多折線擬合，可以得出法向殘余磁感強度變化規律包括三個階段：1)初始階段：隨著疲勞次數的增加，法向殘余磁感強度快速增長，占整個疲勞壽命的5%～10%；2)穩定階段：進入該階段后法向殘余磁感強度基本不隨疲勞次數增加而增長，約占整個疲勞壽命的80%；3)破壞階段：接近90%疲勞壽命之后，法向殘余磁感強度劇增。這與鋼筋疲勞損傷累積的三階段變化規律是一致的，可以幫助判斷疲勞損傷所處階段。

試驗中，各銹蝕鋼筋在穩定階段的法向殘余磁感強度增長量在11～56 mG之間，約為殘余磁感強度總增量的40%～70%。通過比較，直徑分別為10 mm和14 mm的銹蝕鋼筋中，銹蝕率更大的鋼筋(SF10-2和SF14-2)的穩定階段法向殘余磁感強度百分比相對更小，但直徑16 mm銹蝕鋼筋則相反。

圖9 銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強度Fig. 9 Residual magnetic intensity in the normal direction of corroded bars

3.2.2 銹蝕鋼筋的磁場應變滯回曲線

傳統的疲勞分析中采用應力—應變滯回曲線來反映循環荷載下結構的變形特征、剛度退化及能量耗散等。基于維拉利效應，可采用磁感強度對鋼筋疲勞性能進行分析。圖10為SF16-2在不同循環次數下的鋼筋應力—應變曲線與法向磁感強度—應變曲線。在單次循環中，法向磁感強度—應變曲線的滯回特性更明顯；而且法向磁感強度—應變滯回曲線在不同階段的形狀不盡相同，其中，初始第1次循環滯回曲線不閉合，殘余磁感強度快速增長，第10 000～150 000次滯回曲線的形狀基本穩定，但接近破壞階段(第228 892次)時形狀發生畸變，而應力—應變曲線未能表現出這些特點。

圖10 SF16-2不同階段法向磁感強度(應力)—應變滯回曲線Fig. 10 Normal magnetic field strain hysteresis curve at different stages

為了反映磁感強度—應變曲線在疲勞不同階段的特點，這里引入與應力—應變滯回環相類似的“磁滯回環面積”，即單個循環荷載作用下磁感強度—應變曲線包絡面積，用以反映循環荷載下的磁能變化。圖11為不同銹蝕鋼筋在疲勞荷載下的法向磁滯回環面積變化曲線。由于各根鋼筋的疲勞壽命不相同，為了方便比較將疲勞階段進行均一化處理。比較結果顯示，磁滯回環面積亦表現出三階段變化規律：1)初始階段：開始循環荷載時磁滯回環面積最大，隨著循環次數增加，磁滯回環面積迅速減小，且面積減少速率遞減，該階段約占整個疲勞壽命的5%；2)穩定階段：該階段的磁滯回環面積值不隨疲勞次數增加而變化，約占整個疲勞壽命的80%以上；3)破壞階段：當接近破壞時，磁滯回環面積值不再保持穩定，出現或增長或減少的變化，同時滯回環也將出現如圖10(d)等形狀突變。此外，由圖11可見，相同直徑的鋼筋銹蝕率越大，其法向磁滯回環面積也越大，這是因為銹蝕率越大，鋼筋截面積減小，使得鋼筋應力集中現象更明顯，應變值也更大，因而滯回環面積也更大。

圖11 法向磁滯回環面積變化曲線Fig. 11 Normal magnetic field strain hysteresis loop area distribution

4 結 語

進行了未銹蝕鋼筋、均勻銹蝕鋼筋和點蝕鋼筋的靜力拉伸和疲勞試驗，對加載過程中鋼筋周圍的壓磁場進行監測，探究其與鋼筋受力狀態、銹蝕程度之間的關系，得到了以下結論：

1)試驗過程中考慮了地磁場、探頭提離值、作動頭等對測試結果的影響分析，結果表明，外界環境磁噪聲對試驗壓磁信號的影響可通過相關屏蔽裝置予以減小，合理的提離值下可監測到滿足試驗精度要求的壓磁場信號。

2)磁感強度—變形曲線和荷載—變形曲線之間在彈性階段、屈服階段、強化階段均具有較好的對應關系，說明基于壓磁效應的檢測方法可作為一種鋼筋應力狀態的有效測試手段。

3)低銹蝕率和高銹蝕率下鋼筋在屈服階段的磁感強度—變形曲線存在明顯區別，可通過該現象判斷鋼筋的銹蝕程度，研究成果表明，經過進一步系統研究，該技術可應用于鋼筋混凝土耐久性實驗或者實際工程中鋼筋銹蝕程度無損檢測和評估。

4)循環荷載作用下銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強度和磁滯回環面積均呈現疲勞三階段變化規律，銹蝕率越大磁滯回環面積也更大，相比基于應力—應變的指標參數能顯著反映疲勞損傷信息，可進一步用于材料疲勞壽命預測與評估。

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Experimental study on stress detection of corroded steel bars based on piezomagnetic effect

JIN Weiliang1, XIANG Kaixiao1, MAO Jianghong1, XU Fangyuan1, ZHANG Jun1, 2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Rebar corrosion has become a serious threat to structural safety. Based on piezomagnetic effect, it was focused on relationships between the stress states and magnetic signal changes under two kinds of corrosion forms (uniform corrosion and pitting corrosion). Firstly, the accelerated corrosion method was applied to obtain corroded steel bars. Uniaxial tension tests under static and cyclic loadings were carried out to analyze the evolution of magnetic signal. The test result indicates that the magnetic field intensity is corresponding to the stress state of the rebar. In the yield stage, the magnetic field intensity curves under different corrosion ratios are obviously different. It also shows that the residual magnetic intensity and the hysteresis loop area experience three steps of varieties, which can be further utilized in the stress detection of corroded rebar.

corroded steel bar; piezomagnetic effect; magnetic field intensity; hysteresis loop; rebar corrosion; stress state

1005-9865(2017)06-0062-09

TU375

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.008

2017-05-29

國家科技支撐資助項目(2015BAL02B03)；國家自然科學基金(51638013，51578490)；浙江省自然科學基金(LY18E080003)；寧波市科技創新團隊(2011B81005)；寧波市自然科學基金(1140357B1609，2017A610313)；浙江省博士后科研項目擇優資助(20900586201)

金偉良(1961-)，男，教授，主要從事工程結構可靠性理論和應用的研究。E-mail：jinwl@zju.edu.cn

毛江鴻。E-mail: jhmao@nit.zju.edu.cn